Постоянный ток. 
Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства

Постоянный ток — электрический ток, не изменяющийся во времени по направлению.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. В том случае, если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, направление его считают противоположным направлению движения частиц.

Наиболее распространенные источники постоянного тока — гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока и выпрямительные установки.

Для количественной оценки тока в электрической цепи служит понятие силы тока.

Сила тока — это количество электричества Q, протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Если за время I через поперечное сечение проводника переместилось количество электричества Q, то сила тока

Единица измерения силы тока — ампер (А).

Плотность тока — это отношение силы тока / к площади поперечного сечения /'проводника

Единица измерения плотности тока — ампер на квадратный миллиметр (А/мм²).

В замкнутой электрической цепи ток возникает под действием источника электрической энергии, который создает и поддерживает на своих зажимах разность потенциалов, измеряемую в вольтах (В).

Важный параметр электрический цепи — сопротивление, от значения которого зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении. Сопротивление проводника — это своеобразная мера противодействия проводника протеканию в нем электрического тока.

Единица измерения электрического сопротивления — Ом. Широко используют величину, обратную сопротивлению (1/Ом), которую называют электрической проводимостью. Единица измерения проводимости — сименс (См).

Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров (длины /, м, и площади поперечного сечения F, м²)

где р — удельное сопротивление проводника, Ом? м.

В единицах международной системы измерений СИ удельное сопротивление численно равно сопротивлению проводника, имеющего форму куба с ребром 1 м, если ток проходит между двумя противоположными гранями куба.

Элемент электрической цепи (устройство, конструкция), обладающий электрическим сопротивлением, называют резистором.

Сопротивление проводников изменяется при изменении их температуры. С повышением температуры сопротивление металлических проводников увеличивается, сопротивление угля, растворов и расплавов солей и кислот уменьшается.

Сопротивление проводника при любой температуре

где До — сопротивление проводника при температуре «С; а — термический коэффициент сопротивления, показывающий относительное приращение удельного сопротивления при нагревании проводника на 1 «С.

Свойство проводников изменять сопротивление при изменении температуры используют в проволочных датчиках температуры (терморезисторах), применяемых в системах автоматического регулирования температуры.

Зависимость между разностью потенциалов (напряжением) на зажимах электрической цепи, сопротивлением и током в цепи выражается законом Ома. Согласно этому закону для участка однородной цепи сила тока прямо пропорциональна значению приложенного напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению

где /— сила тока, A; U — напряжение на зажимах цепи В; R — сопротивление, Ом.

В практике применяют параллельное, последовательное и смешанное соединение элементов электрических цепей. При параллельном соединении резисторов выводы их соединяют в общие узловые точки, тогда каждый резистор оказывается включенным на напряжение, приложенное к узловым точкам.

Общее сопротивление Ro цепи при параллельном соединении трех резисторов R, и /?₃

При последовательном соединении элементы электрических цепей включают один за другим, то есть начало последующего соединяют с концом предыдущего. Электрический ток в цепи с последовательным соединением одинаков во всех элементах.

Общее сопротивление цепи при последовательном соединении трех резисторов

Работу, совершаемую электрическим током в единицу времени (секунду), называют мощностью и обозначают буквой Р. Эта величина характеризует интенсивность совершаемой током работы. Мощность.

Единица измерения мощности — ватт (Вт). Ватт — это мощность, при которой за секунду равномерно выполняется работа W в один джоуль. Кратные единицы мощности: киловатт — 1 кВт = = 10³ Вт и мегаватт — 1 МВт = 10⁶ Вт.

Работа, или энергия, может быть записана следующим образом:

Практическая единица измерения электрической энергии — киловатт-час (кВт ч) представляет собой работу, совершаемую при постоянной мощности в 1 кВт в течение 1 ч.

Выражение мощности электрического тока можно преобразовать, заменив на основании закона Ома напряжение U произведением IR. В результате получим три выражения мощности электрического тока

Большое практическое значение имеет то, что одну и ту же мощность электрического тока можно получить при низком напряжении и большой силе тока или при высоком напряжении и малой силе тока. Этот принцип используют при передаче электрической энергии на расстояния.

Ток, протекая по проводнику, выделяет теплоту и нагревает его. Количество теплоты Q, выделяющейся в проводнике, определяют формулой

Эту зависимость называют законом Джоуля—Ленца.

На основании законов Ома и Джоуля—Ленца можно проанализировать опасное явление, которое часто возникает при непосредственном соединении между собой проводников, подводящих электрический ток к нагрузке (электроприемнику). Это явление называют коротким замыканием, так как ток начинает протекать более коротким путем, минуя нагрузку. Такой режим является аварийным.

На рисунке 1.1 приведена схема включения лампы накаливания EL в электрическую сеть. Если сопротивление лампы R = 500 Ом, а напряжение сети U = 220 В, то ток в цепи лампы согласно уравнению (1.5) будет 1= 220/500 = 0,44 А.

Рассмотрим случай, когда провода, идущие к лампе накаливания, соединены через очень малое сопротивление (Л_ст = 0,01 Ом), например толстый металлический стержень. В этом случае ток цепи, подходя к точке А, будет разветвляться по двум направлениям: большая его часть пойдет по пути с малым сопротивлением — по металлическому стержню, а небольшая часть тока /_лн — по пути с большим сопротивлением — лампе накаливания.

Определим ток, протекающий по металлическому стержню:

При коротком замыкании (к.з) напряжение сети будет меньше 220 В, так как большой ток в цепи вызовет большую потерю напряжения, и ток, протекающий по металлическому стержню, будет несколько меньше, но тем не менее во много раз превышать ток, потреблявшийся ранее лампой накаливания.

Как известно, в соответствии с формулой (1.11) ток, проходя по проводам, выделяет теплоту, и провода нагреваются. В нашем

Рис. 1.1. Схема, поясняющая возникновение короткого замыкания

примере площадь поперечного сечения проводов рассчитана на небольшой ток 0,44 А. При соединении проводов более коротким путем, минуя нагрузку, по цепи будет протекать очень большой ток — 22 000 А. Такой ток вызовет выделение большого количества теплоты, что приведет к обугливанию и возгоранию изоляции, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактов выключателей, ножей рубильников и т. п. Источник электрической энергии, питающий такую цепь, может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать пожар. Вследствие этого при монтаже и эксплуатации электрических установок, чтобы предупредить непоправимые последствия короткого замыкания, необходимо соблюдать следующие условия:

изоляция проводов должна соответствовать напряжению сети и условиям работы;

площадь поперечного сечения проводов должна быть такой, чтобы нагревание их при нормальной нагрузке не достигало опасного значения;

места соединений и ответвлений проводов должны быть качественно выполнены и хорошо изолированы;

в помещении провода должны быть проложены так, чтобы они были защищены от механических и химических повреждений и от сырости.

Чтобы избежать внезапного, опасного увеличения тока в электрической цепи при коротком замыкании, ее защищают с помощью предохранител е й или автоматических выключателей.

Существенный недостаток постоянного тока состоит в том, что его напряжение сложно повысить. Это затрудняет передачу электрической энергии на постоянном токе на большие расстояния.